Pesquisadores na China relatam que observaram supercondutividade e uma transição isolante-metal no seleneto de itérbio (III) de sódio (NaYbSe2) simplesmente aplicando pressão nele. Esta substância inorgânica, que também é candidata a líquido de spin quântico (QSL), pode se tornar uma nova plataforma para investigar a supercondutividade em compostos que têm elétrons em seus orbitais f orbitais e para explorar os mecanismos de supercondutividade não convencional nesses materiais.
Líquidos de spin quântico (QSLs) são materiais magnéticos sólidos que não podem organizar seus momentos magnéticos (ou spins) em um padrão regular e estável. Esse comportamento contrasta com o de ferromagnetos comuns, em que todos os spins apontam para a mesma direção, ou antiferromagnetos, nos quais os spins apontam em direções alternadas. Em vez disso, os giros em um QSL mudam constantemente de direção de forma fluida – mesmo em temperaturas ultracold próximas do zero absoluto – e, portanto, são considerados “frustrados”.
O falecido físico e ganhador do Nobel Philip W Anderson propôs a existência de QSLs no início da década de 1970, quando ele estava estudando o estado fundamental dos spins interagindo antiferromagneticamente em uma rede de cristal triangular. Embora Anderson não tenha seguido a ideia na época, ele voltou a ela em 1986, após a descoberta da supercondutividade de alta temperatura em óxidos de cobre (cupratos). Um ano depois, seu trabalho deu frutos quando ele descobriu uma ligação potencialmente crucial entre a teoria QSL e a supercondutividade “não convencional” de alta temperatura. Ele descreveu essa ligação na chamada teoria da ligação de valência ressonante.
“Estados pais”
Hoje, acredita-se que os QSLs sejam o “estado pai” da supercondutividade não convencional de alta temperatura em cupratos. Esta classe de supercondutores poderia ter aplicações em muitas áreas, incluindo redes de energia, transporte de levitação e até computação quântica, mas a física subjacente a eles ainda não é muito bem compreendida. O estudo de QSLs é, portanto, importante para os físicos da matéria condensada se essas aplicações quiserem ver a luz do dia.
Uma equipe de pesquisadores liderada conjuntamente por Run-Ze Yu e Chang-Qing Jin do Instituto de Física da Academia Chinesa de Ciências, e He-chang Lei da Universidade Renmin da China em Pequim, usou uma bigorna de diamante para medir o condutividade de NaYbSe2 sob várias pressões altas (até 126 GPa) e um alto campo magnético. Este material cristalino apresenta uma rede triangular de íons 4f-orbitais Yb3 + ligados a seis átomos de Se2- equivalentes para formar o octaedro YbSe6. Esses octraedros YbSe6 compartilham cantos com seis octaedros NaSe6 equivalentes, enquanto compartilham bordas com seis octaedros YbSe6 equivalentes.
Os pesquisadores descobriram que sua amostra atua como um isolante paramagnético (um material com um momento de dipolo magnético permanente) em pressões aplicadas abaixo de 8 GPa. Conforme a pressão aumenta de 8 GPa para 50 GPa, o material permanece um isolante, mas sua resistência diminui em quase oito ordens de magnitude. Uma fase metálica é eventualmente observada em cerca de 60 GPa e aumentos adicionais na pressão levam ao surgimento de um estado supercondutor em 103 GPa, com uma temperatura de transição supercondutora de 8 K.
Transição Mott
Essa transição de isolador para condutor é conhecida como transição de Mott. Como o material contém excitações de spin exóticas carregando números quânticos fracionários em baixas energias, seu estado metálico se comporta como um líquido não-Fermi – o que significa que sua condutividade elétrica depende linearmente da temperatura. “A origem da supercondutividade deve, portanto, ser exótica”, explica Yu. “Isso implica que a relação com a teoria da ligação de valência ressonante proposta por Anderson para supercondutores de óxido de cobre precisa ser mais investigada em experimentos.”
O fato de os pesquisadores terem observado essa transição simplesmente aplicando pressão significa que ela é uma propriedade física intrínseca do material, livre de transformações químicas que geralmente são introduzidas pelo doping. E como os íons Yb3 + contêm elétrons-f, Yu acrescenta que o sistema NaYbSe2 fornece uma nova plataforma para investigar os mecanismos de supercondutividade não convencionais em tais compostos. “O trabalho certamente ajudará os pesquisadores a obter uma compreensão mais profunda da interação entre o QSL e a supercondutividade não convencional”, disse ele à Physics World.
Membros da equipe, que relatam seu trabalho nas cartas de física chinesa, dizem que agora vão estudar a natureza da transição isolante-metal em NaYbSe2 em profundidade, bem como as propriedades físicas intrínsecas da supercondutividade neste QSL. “Também estaremos nos concentrando na possibilidade de fenômenos de” férmions pesados “neste composto”, acrescenta Yu. Tais fenômenos, explica ele, surgem quando os elétrons de condução, que são férmions, se movem como se fossem centenas de vezes mais massivos do que os elétrons em metais convencionais, como o cobre. Essa grande “massa efetiva” ocorre graças a fortes interações elétron-elétron, que também desempenham um papel importante em supercondutores de alta temperatura.
Publicado em 16/10/2020 10h40
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